参数优化的数控加工论文

摘要：数控机床是制造行业中重要的组成部分，目前数控机床的能耗率普遍降低，过多的能源消耗会造成能源负担增加。针对这一问题，本文提出一种基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法，通过确定切削参数优化变量及目标函数、增设数控机床加工能耗约束条件以及求解基于切削参数的数控机床加工能耗优化函数，实现对数控机床加工能耗的优化。下面是小编精心推荐的《参数优化的数控加工论文(精选3篇)》的文章，希望能够很好的帮助到大家，谢谢大家对小编的支持和鼓励。

参数优化的数控加工论文 篇1：

关于数控加工切削参数优化的几点思考

【摘  要】针对当前数控加工中往往具有較为复杂的切削加工工艺过程，在论述了切削参数优化必要性的基础上，提出了借助于遗传迭代算法的方式，提出了数控加工切削参数优化方案，希望对于今后全面保障数控加工质量有所帮助。

【关键词】数控车床;数控加工;切削工艺;参数优化;遗传算法

引言

在我国工业化大生产的背景下，数控加工技术则是推动我国工业化生产水平的重要方面，也是我国全力推动智能制造技术发展的重要组成部分。只有全方位重视数控加工技术的优势，方可以全面推动行业的健康发展，借助于信息技术背景下的CAD/CAM技术优势，全面实现优化切削参数，实现产品生产效率的全面提升。在具体的应用数控加工环节，特别是复杂曲面加工的实践中，往往存在着动态化的切削条件的情况。在传统的切削参数方法背景下，则会造成机床生产效率受到影响，直接造成刀具的使用寿命大打折扣，所以，应全面结合加工实际需求来进行切削参数的优化。

1.切削参数优化必要性

随着我国智能工业化建设步伐的快速加大，各大企业都非常重视先进制造技术的发展，借助于信息化时代背景下的CAD/LAPP/CAM等技术优势，能全面保障生产效率的提升，有效实现加工精度的提升，从而保障企业具有较强的竞争力。在实际运行中，大规模的CAD/CAM集成系统则需要投入较高的成本，相应的高素质技能人才也往往难以被中小企业所引进。在这样的背景下，则应重点合理化开展相应的数控加工切削参数优化，从而不断保障加工系统优势得到全面提升，并能结合实际来丰富相应的数据库。这样能结合产品加工需求来实现自动编程系统的切削参数体系，便于实现预期的加工优化要求，有效控制相应的成本，实现产品质量得到全面提升，有致力于全面提升企业的核心竞争力。借助于优化切削参数，构建刀具管理数据库，保障满足规范化的切削参数设计，实现预期的经济效益目标。

2.数控加工切削参数优化的措施

2.1 建立优化模型

在进行模型的优化过程中，则应保障先进算法来更好地实现采纳数优化，这就应结合产品设计的需求来构建目标函数，并能合理化相应的设计条件要求，提出相应的变量范围以及控制要求，从而构建好相应的模型。在具体的构建模型环节，则应明确相应的机床参数、实际工具，并明确影响到切削效率中的宽度、深度以及速度等方面的情况。在此基础上，结合实验测试情况，来保障进行相应的定位切削的深度、宽度等参数。这样就可以涉及到切削速度和进给量等变量。在保障目标函数的基础上，则应结合变量情况来构建相应的模型，从而落实好相应的最大效率目标函数的要求，并合理化相关的约束条件。

其中，影响机床因素并没有单一化的情况，在具体加工环节，主要考虑以下方面的内容。一是，主轴转速符合相关的切削速度;二是，满足预期加工产品的给进量要求;三是，机床有效功率肯定超过切削功率;四是，机床主轴的最大进给力超过切削进给力;五是，要求相应的表面粗糙度要求。

2.2 优化方法

在具体的应用实践中，切削过程的优化，则应从整体上来重点进行参数设计，以便更好地满足切削工艺的实际要求。一般来说，重点可以从机床特性、夹具、刀具等角度来考虑，这是三个方面较为重要的约束限制因素，其他的相关影响因素肯定也会造成一定的影响，但可以结合实际问题的优化而采用一定的假设条件，不用考虑每种情况，从而忽略影响不大的因素。在进行切削参数优化方案的过程中，可以选择符合工况要求的数学模式，结合相应的假设条件来构建目标函数，并结合实际需求来明确函数表达式、约束条件等。在这样的基础上，结合相应的算法编制程序，从而获得目标函数的最优解。然后，可以进行实际应用中进行数据准确度的检验，逐步重复上述步骤得到相应的最优解。

2.3 遗传迭代计算

上述所用的有效算法则是选择遗传迭代的方法。在基本参数输入的基础上，合理化开展相应的参数优化，并能随机选择基础参数，借助于遗传算法的方法，明确操作内容，并开展相应的交叉及变异操作，通过相应的迭代运算，如果结果满足特定的误差范围内，则得到最优解。如果不满足条件，则返回迭代过程，一直到获得最优解位置。结合上述的方式，经过相应的数控加工切削参数优化过程，能全面保障机床利用效率的提升。比如，在粗加工环节，能有效节省0.86s的切削事件，而半精加工的环节能节省3.85s。结合相应的特征试验件的加工来说，传统模式涉及到12道交叉工序，借助于上述优化措施，则能有效整体节约112s。这些数据能充分表明了参数优化的有效性。

3.结语

由此可见，数控加工技术的全面提升有助于推动我国的智能制造加工技术的快速发展，由于数控加工切削过程具有一定的复杂性，所涉及到相关影响因素众多，且呈现出非线性的复杂变化特点，借助于遗传算法的优势能有效进行数控加工切削参数的优化，实现加工质量以及效率的全面提升，大大降低了人工成本，有利于实现建工企业的预期经济效益目标。

参考文献

[1] 曹晓锋. 数控加工切削参数优化的相关研究[J]. 华东科技：综合， 2020年第4期：283-284.

[2] 杨雯俐. 计算机技术在数控加工切削优化中实际应用[J]. 科技风， 2019年第5期：95-95，102.

[3] 任德宝. 数控加工切削参数优化探讨与实践[J]. 世界有色金属， 2019年第12期：200，202.

[4] 林朗. 航空制造数控加工切削参数优化研究[J]. 现代工业经济和信息化， 2016年第3期：49-50.

[5] 崔海龙， 关立文 ， 王小龙. 基于VERICUT二次开发的数控加工切削力仿真研究[J]. 组合机床与自动化加工技术， 2012年第5期：9-12.

山西清华装备有限责任公司?       山西长治     046000

作者：成伟伟 张伟伟 马康康 李江鑫 许慧东

参数优化的数控加工论文 篇2：

基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法研究

摘 要：数控机床是制造行业中重要的组成部分，目前数控机床的能耗率普遍降低，过多的能源消耗会造成能源负担增加。针对这一问题，本文提出一种基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法，通过确定切削参数优化变量及目标函数、增设数控机床加工能耗约束条件以及求解基于切削参数的数控机床加工能耗优化函数，实现对数控机床加工能耗的优化。对比试验证明，与传统数控机床相比，优化后的数控机床能耗明显降低，因此在实际的工业生产加工中具有更高的应用价值。

关键词：切削参数;数控机床;加工能耗

数控机床主轴会出现空转消耗能源的问题，本文利用切削参数对数控机床加工能源消耗的优化方法进行研究。在数控机床加工过程中，切削参数的选择会直接影响工业生产的生产效率、加工成本以及加工质量等[1]。因此，人们要选择合理的切削参数，有效提高工业生产效率，同时降低加工成本[2]。在实际生产的过程中，工业企业通常只考虑加工生产率、加工成本以及加工质量等问题，但随着社会对环境问题的逐渐重视，加工过程中能源消耗问题日益重要，因此基于切削参数的数控机床加工能耗优化是目前绿色生产制造背景下急需解决的问题。

1 基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法设计

1.1 确定切削参数优化变量及目标函数

在实际生产过程中，企业通常只关注生产效率、产品加工质量以及加工成本等，而较少关注能源消耗对环境造成的影响[3]。因此，在确定切削参数优化目标函数时，优化目标不仅要考虑企业的实际生产需要，还要考虑数控机床的高效节能，提高数控机床的生产效率，降低能源消耗。

数控机床的切削参数是指在切削加工过程中金属元件的切除量，以便达到生产加工要求。人们可以适当增加单位时间内金属元件的切除量，提升数控机床加工生产效率，使数控机床能耗得到进一步优化，其目标函数具体可表示为：

式中，[M]为基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法的目标函数;[m]为数控机床主轴转速;[q]为每个齿轮的进给量;[l]为每个齿轮的转速;[xp]为垂直于进给速度方向的切削层最大尺寸;[xe]为平行于工作平面并垂直于切削刃基点的进给运动方向上测量的吃刀量。

1.2 增设数控机床的加工能耗约束条件

确定切削参数时，取值范围受到工业生产中其他加工元件的影响。因此，在设计基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法时，从实际工业生产需要的角度出发，要增加数控机床加工能耗切削参数优化的约束条件。

切削速度约束条件为：

数控机床的主轴转速必须处于数控机床所能提供的最高转速以及最低转速之间，因此必须介于切削刀最大速度和切削刀最小速度之间。

数控机床进给速度的约束条件为：

式中，[vi]为数控机床进给速度;[vimax]为数控机床允许的最大进给速度;[vimin]为数控机床允许的小进给速度。

数控机床切削时，切削刀的进给速度必须在数控机床允许的最大进给速度与最小进给速度之间。

垂直于进给速度方向的切削層吃刀量约束条件为：

式中，[xp]为垂直于进给速度方向的切削量;[xpmax]为垂直于进给速度方向的切削层最大尺寸。

数控机床的切削加工过程的垂直切削量应小于数控机床最大允许切削量。一般来说，切削时元件的背吃刀量应不超过刀的半径，以免过大而造成刀具损坏。

平行于工作平面并垂直于切削刃基点的进给运动方向上测量的吃刀量约束条件为：

式中，[xe]为平行吃刀量;[xemax]为最大平行吃刀量。

数控机床切削加工过程的平行切削量应小于数控机床最大允许的切削量。通常情况下，平行吃刀量要小于刀具的直径。

数控机床主轴电机功率的约束条件为：

式中，[Wp]为数控机床主轴电机功率;[η]为数控机床在运行过程中的传动效率;[Wmax]为数控机床主轴电机的最大传动功率。

数控机床运行期间，去除材料时功率应不超过数控机床主轴电机产生的最大功率。

刀具耐用程度的约束条件为：

式中，[K]为刀具耐用度;[Kt]为刀具耐用系数，与刀具、元件材料、切削条件直接相关;[Kb]为刀具合理耐用度。

为了保证数控机床加工效率，人们要选用直接影响切削刀耐用度的参数。

工作表面粗糙度的约束条件为：

式中，[Ra]为元件的表面粗糙程度;[Ra]为数控机床允许的元件最大表面粗糙度。

在保证数控机床加工质量的基础上，人们要对切削参数进行优化，元件表面粗糙度应当满足元件加工质量的最低标准。在进行卧铣和立铣时，约束条件各不相同。

1.3 求解基于切削參数的数控机床加工能耗优化函数

基于切削参数的数控机床加工能耗优化函数的求解过程为：一是通过上文确定的切削参数优化变量、目标函数以及相应约束条件，随机产生多个不同的优化目标，并将其设置为初始优化目标集合[F（0）]，利用非支配排序后，通过随机的选择、变异或交叉等操作，产生多个不同的优化子目标集合[E（0）]，并设置此时[q]=0;二是将初始优化目标集合[F（0）]与优化子目标集合[E（0）]合并，形成新的集合[G（q）];三是对集合[G（q）]进行非支配排序，需要注意的是，在排序过程中，要对每个前端的个体进行拥挤度计算，根据排序的序值以及集合中子目标的拥挤程度，选择最适当的新初始优化目标集合[F（q+1）];四是对集合[F（q+1）]进行随机选择、变异和交叉，产生新的优化子目标集合[E（q+1）];五是判断最终生成的优化子目标集合[E（q+1）]中的各个子目标是否符合上文设置的约束条件，若符合，则输出的结果为最终的优化方案，若不符合，则使[q=q+1]，再次进行第二步操作，直到最终结果符合各个约束条件为止。

2 试验论证分析

2.1 试验准备

首先利用仿真试验软件制作数控机床的切削刀具路径仿真模块、加工能耗计算模块、数控代码的解析模块等。然后，利用上文提出的方法对数控机床的各个目标进行优化，将其与优化前的数控机床进行对比。设置试验组为优化后的数控机床，对照组为优化前的数控机床。最后，分别利用两组数控机床进行同一种工业产品生产，将加工过程中产生的相关数据进行记录。

2.2 试验结果分析

根据上述试验准备完成对比试验，并通过记录的数据计算出两种数控机床的能源消耗率，绘制出能源消耗率对比曲线，如图1所示。

由图1可以看出，两种数控机床在同一时间开始进行加工，随着加工时间的增加，能源消耗率逐渐上升。但是，试验组的上升趋势明显低于对照组的上升趋势。对比试验结果表明，采用基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法后，优化后的数控机床能耗率远远低于未优化的数控机床。

3 结语

工业生产企业的数控机床量大面广，耗能巨大，为了保证企业的可持续发展，本文提出一种基于切削参数的数控机床加工能耗优化方法，通过对比试验证明了该方法的有效性。在后续的研究中，人们要进一步分析数控机床的主轴加速、减速、载荷等对能耗的影响，为高效节能的数控机床各个参数的优化提供理论依据。

参考文献：

[1]宋李俊，潘安大，陈猛，等.基于DE-GPR的数控机床切削能耗预测[J].重庆理工大学学报（自然科学），2018（11）：52-57.

[2]赵俊花，李丽，李玲玲，等.面向高效节能的复杂曲面分区数控铣削加工优化方法[J].中国机械工程，2019（1）：64-71.

[3]赖旭伟，贾苛珍，郑军.电火花线切割加工能耗数据采集及其特征分析[J].浙江科技学院学报，2018（3）：216-223.

作者：刘霞 姚益平

参数优化的数控加工论文 篇3：

基于实时采集指令域示波器的数控机床 加工工艺参数优化

摘 要：数控机床加工工艺参数一般都会处于线下进行优化设计，于是为了提高工艺参数优化的便捷性和有效性，文章提出了一种基于实时采集指令域示波器的机床加工工艺参数优化方式。这种方式能够在数控机床加工过程中，通过对各种相关数据的收集和存储，然后对收集的大数据进行分析，于是可以实现在线状态上对加工工艺参数进行优化。这种优化方式比较简单，而且能够提高数控机床加工的效率，能够在实际零件加工中发挥一定的作用。

关键词：指令域示波器;数控机床;参数优化

Optimization of CNC Machine Tool Processing Parameters Based on Real-time Acquisition Command Domain Oscilloscope

Qin Honglang

（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China）

Key words：command domain oscilloscope; CNC machine tool;parameter optimization

當前对数控机床加工工艺参数进行优化时会在离线状态下进行，这种方式不利于系统的优化便捷性，虽然也有在线上对工艺参数进行优化设计，但是没有和数控系统插补周期同步[1-2]。对参数进行优化时，其中需要涉及到数据的处理，然而其中数据处理方式比较多，比如时域或者频域方法、数值分析等方法，在数控加工方面，其中非常重要的就是G代码程序，对机床后续所以动作起决定性作用[3-5]。文章提出了一种基于实时采集指令域示波器的参数优化方式，通过对加工过程中的大数据进行分析利用，从而实现线上工艺优化设计，在一定程度促进了数控机床的加工效率。

1 指令域工艺参数优化模块

我国的高档数控系统相比于国外来讲，技术比较落后，导致在数控加工领域中国外的品牌占据中国的主要市场[6]。数控系统在工作过程中，无法对其中的大数据进行拷贝，所以难以进行相关研究。文章通过对某型号的高档数控系统进行深入研究，对其进行优化设计，开发了一种嵌入式的指令域工艺参数优化模块，有助于提高高档数控系统的综合性能。

1.1 加工过程数据模块和工艺参数优化模型

系统在工作过程中，其中涉及到很多工艺参数都会影响零件的加工质量，如果对这些相关参数进行优化，在很大程度上可以提高系统的加工效果。在机床加工过程中通过使用指令域示波器可以获取相关的大数据，然后系统会实时对数据进行采集，并且对其进行分析，从而可以实现在线优化相关参数。图1即为指令域示波器的工艺参数优化流程。

数控加工过程中，其中电机的运行模式是恒转矩模式，然后其他电流处于一种稳定状态，但是在实际的加工过程中，会存在很多的加工条件差异，于是就会导致电机并不是处于恒定状态，所以电机在工作过程中没有发挥出全部实力[7-8]。为了解决这个问题，人们通过人为对局部地方进行修改，这种修改方式并不较大程度提高加工效率。所以文章将以电流为优化目标，保证电流的平衡，然后提高系统的加工效率和质量。优化函数关系表达式如下：

其中，Vx、Vy、Vz表示的是优化后进给速度值，i和v分别表示的是各个进给轴电流和速度值。

系统在工作过程中进给速度和电流的数据会被指令域示波器实时采集，可能会出现采集的数据量过大而导致无法全部保存，此时就会使用移动平均计算行特征值。表达公式如下：

其中，Mt1表示的是当前时刻平均电流，dn+1表示的是当前采集值，St0表示的是上一时刻的平均电流，n表示的是当前采样点个数。

指令域示波器需要能够同时采集不同的数据信息，这样就能够保证数据的准确性，然后通过指令域特征提取，对数据进行分析时，并不需要对所有数据进行分析，只需要对插补行特征值即可，所以在一定程度上可以提高数据分析效率。优化后新进给速度值F的表达公式如下：

其中，k表示的是优化系数，k≤1，M表示的是全加工周期平均电流，f 表示的是优化前后进给速度值，m表示的是某插补行平均电流。其中优化系数k对整个公式的影响比较大，因为k值不同，优化效果就会不一样。在实时优化过程中，在每行的后面会新加入一个模态F值。

数据机床在加工过程中，会通过时域波形以插补周期的方式实时显示加工状态，这种显示方式属于微观显示，然后还能够通过指令柱状波形以插补行的方式对加工状态进行统计，这种方式属于宏观显示，所以在加工过程中通过使用宏观和微观相结合的方式进行显示，更有助于提高系统的优化和分析过程。

1.2 指令域分析软件模块设计

指令域示波器软件属于数控系统中的一个分析模块，所以该软件能够同时拥有指令领域分析和时域分析。指令域示波器的主要作用是收集相关的加工状态数据，并且能够将大数据在时域界面进行波形显示，如图2所示，还能够对数据进行保存和查找等操作。图2中横坐标有两行，分别为时间轴和G代码行号轴。然而在指令域界面中，如图3所示，是以一种柱状图的方式进行显示，其中横坐标表示的是G代码行，纵坐标表示的是行特征提取，能够将最大值或者平均值等数据进行显示，还能够将G代码程序的工艺参数进行修改，还能够对特征数据进行动态保存等操作。

指令域软件采集的数据主要包含两个方面，第一个就是系统内部通过加工产生的大数据，第二个就是机床传感器信息，其中大部分信息来自于外部传感器，其中涉及到的接入方式如图4所示。

软件示波器可视化功能开发主要包含4点设计：

（1）通道同步设计。

（2）采样结构设计。示波器模块使用的是双缓设计，其设计流程如图5所示，其中包含一级缓冲，最大有16个通道，单通道能够有10k个数据，能够保证数据不被丢失，第二个缓冲只有一个通道，其中能够包含100k个数据，并且该频率和屏幕刷新频率一致，所以在展示效果时能够保证人眼视觉效果。

（3）波形可视化设计。这种设计方式有两种表现形式，其中一种就是满屏重绘，这种方式就是屏满重绘，其数据点没有上限，这种表现方式主要适用于状态变化周期较长的信号，比如压力等外部传感器信号。另外一种就是循环滚动，这种方式得到的波形就会自适应窗口大小，然后还会实时调整窗口坐标，这种表现方式主要适用于状态变化周期较短的信号，比如在加工作业时的信号，如速度、位置、跟随误差等。图6为波形自适应调整算法设计流程图。

图6中的max和min分别表示的是波形当前可视范围内的最大值和最小值，y表示的纵轴坐标零点，top_coord、bottom_coord分别表示的是示波器图形界面的上界面和下界面，scale表示的y轴当前刻度值。另外，图6中的各个变量的单位全部是像素。

（4）参数配置设计。指令域示波器的功能强大，不仅能够对生产加工时的数据信息进行收集、对机床的零件进行优化，而且对生产加工当前的状态进行可视化，能够提高系统生产加工的效率和质量。参数配置界面设计的种类比较多，比如采样方式、采样通道、采样周期、绘图模式等，其中采样通道比较方便，能够对其配置任意的信号。图7即为指令域示波器配置界面图。如图8所示即为机床加工过程中收集到的各种状态心电图。

2 优化实验

根据某厂的要求，需要提高加工效率，从而降低零件加工的时间。优化实验将以加工生产壁框类工件为优化对象，该零件的现场完成图如图9所示，然后根据要求对其进行G代码优化设计，其中使用的数控系统内部集成指令域软件模块。加工的零件材料为铝合金，属于粗加工方式。加工过的过程如下：

（1）浅腔加工。进行浅腔加工时，其中切削深度为62mm，其中使用D28短刀和立铣刀的切削总深度为44mm，在切削过程中不能一次全部切削完成，需要将其分为3次，分别切削10mm、17mm和17mm，两种刀的原G代码中主轴转速分别为1000r/min和360r/min，进给量分别为400mm/min和150mm/min。通过优化之后的短刀时间效率提高了24.3%。长刀优化之后，其效率提高了37.5%。

（2）深腔加工。对零件进行深腔加工时，其总的切削深度为65mm，其中使用D28立铣刀短刀需要切削的深度为47mm，同样需要对其进行三次切削，三次的深度分别设置为13mm、17mm和17mm。然后长刀和短刀的原G代码中主轴转速和进给量与浅腔加工的设置一致。然后对短刀优化前和优化后的加工时间进行对比，发现优化后的切削效率提高了27.5%，长刀优化后的效率提高了37%。优化前后G代码如图10所示。

通过优化實验可知，采用实时采集指令域示波器对系统加工负载电流优化进给速度，在该薄壁零件的加工上能够显著提高加工效率，在浅腔加工上工作效率提高了37.5%，另外在深腔加工效率也提高了37%，所以基于这种示波器，通过对数控加工机床的相关参数进行优化设计，能够有效提高加工效率，从而为企业带来更大的效益。

3 结语

文章通过对某高档数控系统进行优化设计，基于实时采集指令域示波器，能够获取更多的大数据，然后对其进行分析利用，从而有助于对参数进行优化设计，能够对数控机床在工作时的状态进行实时检测，能够及时对相关参数进行优化设计。这种数控机床在传统的机床基础上，能够对数据进行采集并且存储和分析，能够在零件加工过程中对相关工艺参数进行优化设计，及时调整系统的运作状态，使得数控机床的加工效率更高。我国的高档数控机床发展没有国外快，所以为了提高我国装备的性能，需要对其进行不断创新和优化设计。

参考文献

[1]熊尧，吴军，邓超.面向重型数控机床的加工工艺参数优化方法[J].计算机集成制造系统，2012，18（004）：729-737.

[2]吴继春.曲面数控加工编程轨迹的NURBS拟合及插补算法研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[3]李郝林，王健.基于灰色关联分析的平面磨削工艺参数优化[J].中国机械工程，2011（06）：631-635.

[4]祁雪沙，戚厚军.基于遗传算法的数控铣削参数优化[J].煤矿机械，2015，36（11）：143-145.

[5]贺知明，黄巍，向敬成.数字脉压时域与频域处理方法的对比研究[J].电子科技大学学报，2002，31（002）：120-124.

[6]刘本刚，梁明，王碧玲.国产高档数控系统在航空领域的应用与性能分析[J].航空精密制造技术，2015，51（1）：47-50.

[7]李江玲，周旭东.PLC与变频器在电机装配与运行检测实训系统中的应用[J].现代制造技术与装备，2018（1）：165-167.

[8]胡鹏.交流伺服电机的高精度恒转矩控制系统[J].机床电器，2012，39（5）：23-25.

作者：秦洪浪